UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA METALURGICA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE METALURGIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCOFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA METALURGICADEPARTAMENTO ACADEMICO DE METALURGIAPROCESOS EXTRACTIVOS ICarrera Profesional : Ingeniera Metalrgica

CAPITULO III: EXTRACCION DE COBRE DE MINERALES SULFURADOS

Docente: Ing. Mag. Pedro Camero HermozaE-mail: pecamher@yahoo.comCusco - Per

UNIDAD DIDACTICA 3.

Duracin nueve semanas

3.1 EXTRACCION DE COBRE DE MINERALES SULFURADOS

OBJETIVOS ESPECFICOSSaber los procesos empleados en la extraccin del cobre a partir de minerales sulfurados.Saber los procesos pirometalrgicos empleados en la extraccin del cobreAplicar los conocimientos termodinmicos en la obtencin de cobre de alta purezaRealizar clculos Cinticos y de Balance de materiales y Energa.

EXTRACCION DE COBRE DE MINERALES SULFURADOSEl cobre en la naturaleza se encuentra distribuido en la corteza terrestre principalmente formando parte de los minerales sulfurados, como la calcopirita, bornita y calcosina, y tambin est presente en forma de minerales oxidados, formado carbonatos, xidos, silicatos y sulfatos.Para la extraccin del cobre a partir de sus minerales se emplean procesos pirometalrgicos, hidrometalrgicos y electrometalrgicos, en forma combinada de acuerdo a la naturaleza del mineral, as para los minerales sulfurados se combinan procesos piro y electrometalrgicos y para los xidos se usan principalmente los procesos hidro y electrometalrgicos.El contenido de cobre en los yacimientos explotados es baja, vara de un 0.5% en minera a cielo abierto a 1 2% en minera subterrnea, por lo que se hace necesario un proceso de concentracin previa para aplicar procesos de extraccin.

3.1. Concentrados de cobre principales minerales.El 90% o ms de cobre que se produce en el mundo proviene de los minerales sulfurados, que son difciles de tratar hidrometalrgicamente, por lo que la mayor parte se trata pirometalrgicamente. Normalmente, el proceso de extraccin comprende cinco etapas:Concentracin por flotacin, se obtiene como producto el concentradoTostacin, es optativo, depende de la composicin del concentrado, as, si contiene As, Sb, (es el caso peruano en la regin Centro del Per) ser necesario la tostacin.Fundicin de matas, en procesos discontinuos o continuosConversin de cobre blsterPiro o electrorefinacinNormalmente se hacen combinaciones segn las caractersticas del concentrado y un paso siguiente de la electrorefinacin del cobre es el tratamiento de los lodos andicos para la recuperacin del oro, la plata, el selenio, el teluro y otros metales preciosos.

Los concentrados de cobre provienen de las celdas de flotacin y la composicin qumica declarada, se reduce generalmente a tres elementos: cobre, oro, plata. El contenido de cobre es del orden del 30%. Los concentrados de cobre contienen elementos pagables: Ag, Au, Cu y elementos penalizables: Sb, As, Hg, Bi, Pb, Cl, F, Zn. Un concentrado de cobre puede contener minerales como la calcopirita (CuFeS2), bornita (Cu5FeS4), calcosina (Cu2S), covelina (CuS) pirita(FeS2), impurezas de inters econmico como la Ag, Au, Pd, Pt, Ni y otros y como ganga el cuarzo (SiO2), la dolomita (CaCO3 . MgCO3) y aluminatos (SiO2 . Al2O3). Una composicin promedio de un concentrado de cobre puede ser:Elemento/Compuesto%Elemento/Compuesto%Cu26SiO26.5Fe28Al2O31.8S30CaO0.5Ni0.42MgO0.7AgppmPtppmAuppmPdppmLos principales minerales del cobre con significacin econmica son:MineralComposicin Qumica% de CuCalcopiritaCuFeS234.6CalcosinaCu2S79.9BornitaCu5FeS463.3CovelitaCuS66.4MalaquitaCuCO3 . Cu(OH)257.5Azurita2CuCO3 . Cu(OH)255.3CupritaCu2O88.8CrisocolaCuSiO3 . 2H2O36.2AntleritaCu3SO4(OH)453.73.2. Tostacin de concentrados de cobre.Tradicionalmente el trmino tostacin, estaba relacionado con la oxidacin de los sulfuros de Cu, Zn y Pb, la literatura moderna es mucho ms amplia y lo aplica a toda transformacin metalrgica que tiene lugar por debajo del punto de fusin de la carga o producto. Por lo tanto en el sentido qumico tostacin puede ser oxidacin, reduccin magntica, sulfatacin, cloruracin. En el sentido del procesamiento, tostacin puede ser autgeno, explosin de viento, flash o volatilizacin y en el sentido operacional puede ser masa, suspensin o fluidizacin.Un proceso de tostacin genera cambios qumicos ms que descomposicin trmica y puede a veces efectuar secado y calcinacin o descomposicin trmica en un solo paso.

En los procesos de extraccin del cobre, la tostacin, consiste en una oxidacin parcial de los concentrados de sulfuro con aire, esta operacin se lleva a cabo por dos consideraciones importantes que dependen del proceso de extraccin posterior que se sigue:Extraccin hidrometalrgica, los sulfuros de cobre no se lixivian fcilmente, pero sus sulfatos son solubles en agua y sus xidos en cido sulfrico diluido, por lo tanto, un proceso de tostacin controlado de sulfuros puede producir un producto calcinado rpidamente lixiviable. Este proceso se usa en varias partes del mundo como Zaire y Zambia.Extraccin pirometalrigica, a menudo se practica la tostacin como paso previo a la fundicin en hornos reverbero y en horno elctrico, con el propsito de utilizar el calor de tostacin para secar y calentar la carga antes de introducir al horno de fundicin y para aumentar la concentracin del Cu en el producto fundido, as como disminuir el contenido de S en el la mata. En el caso del Per, en la fundicin de la Oroya, se hace la tostacin para controlar el contenido de S y eliminar los contenidos de As y Sb de los concentrados sucios. Se usan tostadores de hogares mltiples, flash o lecho fluidizado. La tostacin para la extraccin del cobre se realiza entre 500 a 700oC y normalmente es autgena, pero si los concentrados estn muy hmedas se puede requerir combustible. El contenido de SO2 en los gases de tostacin vara entre el 5 al 15%, lo que facilita su recuperacin para la produccin de cido sulfrico.

3.3. Tostacin para fusin de concentrados Tostacin para lixiviacin.Tostacin para fusin de concentrados, La tostacin controlada de los concentrados de cobre da por resultado la oxidacin parcial del azufre a SO2 y la oxidacin parcial de los sulfuros de Fe a sulfatos y xidos de Fe. El gas SO2 se elimina durante la tostacin y los xidos y sulfatos de Fe se eliminan posteriormente en forma de escoria durante la fundicin. Los xidos y sulfatos de cobre tambin se forman durante la tostacin parcial, pero se reducen de nuevo a sulfuro dentro del horno de fundicin, por la afinidad diferenciada que tienen el Cu y el Fe por el oxgeno y el azufre, como se explic en la termodinmica de fusin de concentrados. La tostacin permite eliminar el S como SO2, acondicionar el Fe para su eliminacin en las escoria de los hornos de fusin y lograr matas con alto grado de cobre. El grado de mata expresa el contenido de cobre en la mata. La etapa de tostacin se us principalmente en las fundiciones que empleaban hornos de reverbero, algunos todava lo usan ejemplo la Fundicin de la Oroya Per, que trataban concentrados de cobre con leyes menores al 20%. En la actualidad las tcnicas mejoradas de beneficio de minerales han eliminado grandemente la necesidad de fundir concentrados de baja ley y por lo tanto la tendencia ha sido eliminar los tostadores del circuito de fundicin de concentrados de cobre.

Sin embargo, el empleo de hornos de lecho fluidizado de alta eficiencia, ha hecho que an se usen los procesos de tostacin en plantas que an usan hornos reverbero y elctrico, con el propsito de aumentar la capacidad de produccin de estos hornos, por que las calcinas calientes se cargan directamente al horno y as se requiere menos energa para fundir concentrados frios o hmedos, teniendo por resultado un ahorro considerable de energa y mayor velocidad de fusin. Cargar una calcina caliente a un horno reverbero puede aumentar la produccin de ste hasta en un 50% segn datos bibliogrficos.Igualmente la velocidad de produccin de cobre en los convertidores se incremente, debido a que en la tostacin se elimina parte del S y la tostacin/fundicin se elimina parte del Fe, el resto se elimina en la etapa de conversin.

3.4. Hornos de tostacin.Antiguamente la tostacin se realizaba en montones y patios en reas abiertas donde los gases de tostacin escapaban al ambiente. Estos procesos fueron remplazados por procesos en hornos en columna a travs del cual se forzaba el aire. El desarrollo de las tcnicas se fueron renovando constantemente hasta llegar a los actuales procesos de tostacin, como los hornos de hogares mltiples, tostacin flash y lecho fluidizado.a.- Tostacin en Hogares Mltiples, El tostador de hogar mltiple es un reactor cilndrico revestido de material refractario de aproximadamente de 6 m de dimetro por 15 m de altura, acondicionado con 7 14 hogares o pisos. Los concentrados se alimentan por la parte superior del tostador y se rastrillan en cada uno de los hogares antes de caer en el siguiente hogar inferior. A los rastrillos los mueve un eje central giratorio. El aire para la tostacin ingresa por la parte inferior y sube en contracorriente con la carga que desciende y deja el horno a travs de un ducto de humos instalado en la parte superior. La capacidad de estos hornos vara de 180 a 240 TM/da a ms.

b.- Tostacin Suspendida, Estos tostadores son una modificacin del tostador de hogares mltiples, en stos, el concentrado es secado y precalentado en los dos hogares superiores, luego el concentrado cae a travs de la seccin central del horno donde entra en contacto con los gases oxidantes, la recoleccin de la calcina se realiza en tres hogares situados en la parte inferior del horno. Un desarrollo de este tostador es la tostacin flash, en el cual el mineral precalentado es inyectado a travs de un quemador simultneamente con el aire precalentado, semejante a un flujo pulverizado, este proceso es ms apropiado para la tostacin de sulfuros que se oxidan exotrmicamente y no requieren combustible adicional. Para el control de la temperatura se dispone de una zona de expansin. Mediante este proceso se consigue una mayor capacidad de produccin.El proceso de tostacin suspendida es muy usado para la tostacin sulfatante, la cual ocurre en una cmara especial situada debajo de la cmara de reaccin principal, de modo que la sulfatacin se da despus de la oxidacin.

c.- Tostacin en lecho fluidizado, La tostacin en lecho fluidizado consiste en la oxidacin de las partculas de sulfuro mientras se suspenden en una corriente de aire uniformemente distribuida y se basa en el principio de que el aire inyectado a travs de un lecho de slidos finos tiende a elevar las partculas. A velocidades moderadas, las partculas estarn permanentemente suspendidas en un lecho expandido o fluidizado mientras que a velocidades altas, las partculas sern transportadas fuera del tostador junto con los gases.Son muy usados para la tostacin de concentrados finos debido a que los coeficientes de calor y masa alcanzados entre el slido y el gas son altos.El flujo gaseoso debe ser considerablemente alto, de modo que la cada de presin a travs de la cama sea independiente de la velocidad del gas, la cmara bajo estas condiciones asemeja a un lquido hirviendo con burbujas reventando en su superficie. Este proceso llamado tambin fluidizacin agresiva, debe ser distinguido de la fluidizacin particulativa, donde la cada de presin a travs de la cama, disminuye cuando aumenta el flujo de gas circulante. En la fluidizacin particulativa el contacto slido-gas es parcial y se semeja a las condiciones encontradas en los equipos de clasificacin hidrulicas, como el Jigs, Por contraste en la fluidizacin agresiva, el contacto slido-gas es total, adems el flujo gaseoso es altamente turbulenta, de modo que los slidos son agitados en todas las direcciones con alta energa, pero la velocidad relativa entre el slido y el gas no escapa de los lmites de un flujo laminar.

Las velocidades de transferencia de masa y calor en camas fluidizadas son altas. La distribucin de la temperatura en el lecho es uniforme debido a la transferencia de calor por conveccin como consecuencia del movimiento rpido y al azar de las partculas. Se supone que la transferencia de calor entre las partculas es por conduccin y se da durante las colisiones entre stas, y estas colisiones permiten romper las pelculas de gas formadas en la superficie.Las aplicaciones de la tostacin en cama fluidizada en metalurgia extractiva, adems de la tostacin oxidante, es la tostacin sulfatante, donde el control de la temperatura es muy importante, particularmente si se conduce una sulfatacin diferencial, igualmente es importante el control de las presiones parciales del SO2 y el O2. En un proceso de sulfatacin diferencial las condiciones de temperatura y presin deben ser tales que permitan la formacin de un sulfato de uno de los metales que sea soluble en agua y los otros metales formen xidos o silicatos insolubles, de modo que permita la separacin por lixiviacin en agua.

3.5. Qumica y cintica de la tostacin.Diagramas de Equilibrio de Cu-O-S y Fe-O-S.En base a los datos termodinmicos se construyen los diagramas de equilibrio o Kellog, que muestran reas de estabilidad o predominio de los compuestos, para de este modo predecir que fases slidas pueden estar presentes a una temperatura y composicin de gas dados y as predecir las posibles reacciones. As los diagramas del sistema Cu-O-S indican, para una temperatura dada, los slidos que estarn en equilibrio con un gas de concentraciones de O2 y SO2 dadas y estos diagramas pueden ser usados para predecir los slidos que se producirn en un tostador si las reacciones slido-gas llegan al equilibrio. La tostacin parcial no es un proceso en equilibrio, no obstante los diagramas pueden ser usados para indicar los productos que ms probablemente sern formados a medida que prosigan las reacciones hasta alcanzar el equilibrio.

Cintica de la Tostacin, La oxidacin de los sulfuros con aire es de naturaleza heterognea, las velocidades de tostacin dependen del tamao de la partcula (rea superficial) y la intensidad del contacto aire/partcula, as como de la concentracin de oxgeno y la temperatura del gas.Un factor importante es la temperatura de ignicin o encendido, que viene a ser la temperatura ms baja la cual una partcula reacciona lo suficientemente rpido para conservar o aumentar la temperatura del reactor. En la siguiente tabla se presenta la temperatura de encendido de sulfuros normalmente presentes en la tostacin de concentrado de cobre.La tabla indica que para concentrados secos se puede iniciar y mantener una temperatura de casi 400oC y cuando se trate concentrados hmedos se requerir temperaturas mayores para vaporizar el agua. En general se obtienen velocidades mayores al operar a temperaturas altas y con una buena exposicin de superficie de mineral a la atmsfera oxidante.

3.6. Desarsenizacin de Concentrados de Cobre Algunas empresas mineras del Per, an producen concentrados de cobre con mediano o alto contenido de As y Sb, elementos que afectan la calidad del cobre refinado final como tambin afectan la calidad ambiental. Una solucin para ambos problemas es separar estos elementos por tostacin parcial oxidante, llamado tostacin desarsenizante.Los concentrados de cobre con contenidos de As se clasifican en:Concentrados limpios, cuando el contenido de As < 0.1% caso Toquepala, Cuoajone, Tintaya, Cerro Verde, en general las minas ubicadas en el sur peruanoConcentrados medios, con contenidos de As > 0.1 < 0.3%, caso Condestable, Madrigal, CobrizaConcentrado sucios, cuando el contenido de As es > al O.3%, como los de Minsur, Yauricocha, Casapalca, El Brocal, Huaron, etc, la mayora ubicados en la regin central peruana.En el Per, la tendencia de la produccin de concentrados sucios es decreciente desde hace ms de 30 aos, debido a que las fundiciones no aceptan concentrados con alto contenido de impurezas, sobre todo por las medidas de control ambiental que prohben su tratamiento. La fundicin de cobre del Complejo Metalrgico de la Oraya, ubicado en la regin central del Per, es una de las pocas que an trata este tipo de concentrados, por que en su circuito dispone de un sistema de obtencin del As2O3 como un subproducto.

Mecanismo de la Tostacin Desarsenizante, Los investigadores peruanos Jos Vidaln y Henry Walqui, plantean que la tostacin de desarsenizacin, viene a ser una tostacin parcial en condiciones controladas de temperatura, entre 650 a 750oC, que impiden la fusin del material y de composicin de la atmsfera del horno que permita slo una oxidacin parcial de los sulfuros, lo que se consigue limitando el acceso del aire al horno, de modo que se tenga una atmsfera neutro o ligeramente reductora.Al inicio del proceso de produce la descomposicin trmica de algunos sulfuros y sulfosales, como se ve en las siguientes reacciones:Enargita: 2Cu3AsS4 = 4CuS + Cu2S + As2S3Covelita: 4CuS = 2Cu2S + S2 8 400 calChalcopirita: 4CuFeS2 = 2Cu2S + 4FeS + S2Pirita: 2FeS2 = 2FeS + S2 39 600 cal

El sulfuro de arsnico y el azufre al estado gaseoso, pasan a la atmsfera del horno para luego ser oxidados con aire en una cmara de combustin o un nivel dado, segn el tipo de horno empleado para el proceso.Las reacciones de oxidacin del S2 y del As2S3 son:2As2S3 + 9O2 = 2 As2O3 + 6SO2S2 + 2O2 = 2SO2 + 141 920 cal.Algunos sulfuros, en presencia del oxgeno de la atmsfera del horno, reaccionan con dicho elemento an a temperaturas inferiores a su punto de descomposicin.Cuando hay deficiencia de oxgeno, el arsnico se volatiliza como As2O3, mientras que si la tostacin se realiza en un gas inerte se logra As o As2S3.

La tostacin con exceso de oxgeno da lugar a la oxidacin de los sulfuros de cobre y hierro, mediante reacciones exotrmicas siguientes:

2FeS + 3O2 = 2FeO + SO26FeO + O2 = 2Fe3O44FeO + O2 = 2Fe2O3Cu2S + 2O2 = 2CuO + SO2S + O2 = SO22As2S3 + 11O2 + 2As2O5 + 6SO2 En estas condiciones, y principalmente a mayores temperaturas, el Fe2O3 es estable y tiende a formar ferritas con los otros xidos:Fe2O3 + CuO = CuO. Fe2O3Fe2O3 + As2O5 = 2FeAsO = (As2O5. Fe2O3)

Los reactores que pueden ser usados para la desarsenizacin de concentrados de cobre son hornos de lecho fluidizado o de hogares mltiples, cuyos diagramas de flujo se presentan a continuacin.

3.7. Fusin de concentrados de cobre.Los concentrados sulfurados, principalmente los concentrados que contienen sulfuros de Cu, sulfuros de Ni y sulfuros de Cu-Ni, son tratados por procesos de fusin y conversin. Son procesos que se llevan acabo a altas temperaturas con el fin de recuperar el metal valioso de sus concentrados.Bsicamente el proceso de fusin consiste en calentar los concentrados por encima del punto de fusin, para separar los sulfuros metlicos en forma de mata y otros valores como el Au, la Ag de los componentes no deseables del concentrado y que generalmente est constituido por xidos que al combinarse con los silicatos forman la escoria, que por ser menos densa e inmiscible con la mata, flota por encima de sta. La mata obtenida por fusin, es tratada posteriormente en los convertidores para lograr un producto metlico, eliminado por reacciones de oxidacin a los elementos no deseados, como son el Fe y el S, el Fe pasa a la fase escoria formando oxisilicatos y el azufre es eliminado del sistema como SO2.Los concentrados oxidados tambin pueden ser tratados por procesos de fusin, tenemos como ejemplos la reduccin por el C del Fe, Pb, Pb-Zn en los altos hornos y el proceso de reduccin electrotrmica para la obtencin del Al.

La produccin de mata lquida y su posterior conversin a cobre blster o ampolloso, es el mtodo ms importante de extraccin de cobre a partir de minerales sulfurados y tiene como ventajas, frente a otros mtodos, los siguientes:Se obtiene cobre metlico a partir de sus sulfuros con un gasto de energa relativamente bajoEl cobre se produce a una alta velocidadSu desventaja principal es la contaminacin atmosfrica por la generacin de SO2, por lo que las fundiciones deben tener sistemas de recuperacin de este gas y en la mayora se tienen plantas de produccin de H2SO4.

La fundicin de matas consiste en la fusin de concentrados verdes o concentrados parcialmente tostados a temperaturas de 1 150 a 1250oC para producir dos fases lquidas inmiscibles mata y escoria. La mata es rica en cobre y est conformada por sulfuros de Cu y Fe y la escoria est constituida por xidos metlicos como el FeO, CaO, SiO2.El producto principal es la mata (Cu2S.FeS) cuyo tenor en cobre vara entre 35 a 70% y se conoce como grado de mata, segn el mtodo de fusin empleada. La escoria lquida se descarga directamente al escorial y bien pasa por una etapa de recuperacin de cobre, dependiendo del mtodo de fusin usado, el propsito es que la escoria vaya a disposicin final con el menor contenido posible de cobreFundicinComposicin mata %Composicin escoria %CuFeSCuSiO2FeAl2O3CaOA4725250.63925914B3430250.31393288C4427250.623636D4725240.5336373 3.8. Fisicoqumica de la fundicin de mata.Los principales componentes de una carga de fundicin son los concentrados sulfurados, los materiales escorificantes que se adicionan, de modo que la carga tendr como constituyentes a los sulfuros de Cu y Fe, xido de Fe, Cu, Al, Ca, Si, Mg. Son estos componentes los que determinan en gran parte la constitucin qumica y fsica del sistema mata-escoria. Otro asunto importante a tomar en cuenta es la influencia del potencial de oxidacin o reduccin de los gases que se usan para calentar y fundir la carga. Se denomina carga a la mezcla de concentrados de cobre y escorificantes que aportan CaO, Al2O3 y SiO2, que se preparan en funcin del tenor de mata y la calidad de escoria que se desea obtener.

Esta reaccin tambin se puede utilizar favorablemente para la recuperacin del cobre oxidado presente en las escorias del convertidor. Normalmente las escorias de los convertidores son recirculados al horno de fusin, donde el Cu2O se transforma en Cu2S que pasa a la fase mata. El cobre oxidado puede estar presente en la carga en varias formas, ejemplo puede estar como CuO, CuSO4, CuO.CuSO4 o CuO.Fe2O3, estos compuestos tambin reaccionan para formar el Cu2S durante la fundicin. A las temperaturas de fundicin de mata el CuS y el FeS2, presentes en el proceso, son inestables debido a sus altas presiones de azufre y se descomponen para formar Cu2S y FeS. La presin de azufre para el CuS es aproximadamente de 100 atm a 600oC y para el FeS es de 5 atm a 700oC.

3.9. Formacin Mata - Escoria.Como se ha visto en la seccin 2.6 Termodinmica de la fusin conversin de concentrados, Termodinmica de la Fusin, Schuhmann, demostr la afinidad del Fe y el Cu por el O2 y el S, determinando por que el Cu entra en la mata y no en la escoria y que el Fe tiene mucha mayor afinidad por el oxgeno que el Cu. La mayor afinidad del Cu por el S, frente al Fe est demostrada por el valor negativo Go para la reaccin:2Cu(l) + FeS(l) = Fe() + Cu2S (l) (3) k1300oC = 3.1 Go = - RT lnk = - 3 530 calIgualmente la mayor afinidad del Fe por el O2 frente al cobre, est expresada por alto valor negativo de Go para la reaccin: Cu2O(l) + FeS(l) = Cu2S (l) + FeO(l) (6) k1300oC = 4000 Go = - RT lnk = - 26 000 calEstos valores han sido calculados para sulfuros y xidos lquidos puros a 1300OC, para un sistema mata-escoria industrial, Schuhmann, asumi que la actividad del Cu2S y el FeS no se diferencian grandemente para un grado de mata moderado, entre 20 a 70%, y dependiendo de las condiciones de operacin, la actividad del Cu2O, se puede estimar:K = (aCu2Smata)(aFeOEscoria)/(aCu2OEscoria)(aFeSMata) = 4000

As por ejemplo su radio puede ser aproximadamente 1 y que la actividad del FeO puede estar ubicado dentro del rango de 0.3 a 0.9, sustituyendo estos valores en la ecuacin anterior, se tiene que: aCu2OEscoria = 10-4 Por consiguiente la presencia del Cu2O en sistema mata-escoria a una actividad mayor a 10-4 har que el FeS desplace al cobre de la escoria, por lo tanto la afinidad relativa del Cu y del Fe por el oxgeno es la razn de que el Cu est presente en la mata.Por lo tanto, en los procesos de fusin de concentrados de cobre, se busca la formacin de dos fases inmiscibles y con una marcada diferencia de densidades, que facilita su separacin , la fase mata constituida por sulfuros de Cu y Fe y la fase escoria constituida por xidos metlicos con escasa presencia de Cu.

La presencia del O2 en los hornos de fusin es una variable muy importante, por que determina el contenido de cobre en la escoria, as a mayor presencia de oxgeno en la atmsfera del horno mayor contenido de cobre en la escoria, una representacin grfica del efecto de la presin parcial del O2 frente al contenido de Cu2O en la escoria a 1300oC muestra que cuando la presin parcial del O2 aumenta la solubilidad del Cu2O en la fase escoria tambin aumenta.

Datos termodinmicos para la Distribucin de Impurezas entre la Mata y la Escoria (1200oC)Go = Energa libre estndar para la reaccin: MS(l) + FeO(l) = FeS(l) + MO(l)K = Constante de equilibrioMO/MS = Radio de coeficiente de actividad estimada de MO a MSNMO/NMS = Radio de fraccin molar estimada de MO a MSCualitativamente, la Ag puede estar presente en la mata, el Pb en ambos, ms en la mata que en la escoria y el Zn en ambos, pero ms en la escoria que en la mata. Un ejemplo de esta distribucin se presenta en la siguiente tabla.FundicinMataEscoriaZnPbAg(Oz/TC)ZnPbAg(Oz/TC)A3.00.57.03.50.20.09B-0.44.1-0.10.06C2.80.53.00.60.30.083.10. Formacin, constitucin y caractersticas de la mata.Como se ha dicho, al fundir una carga portadora de azufre, se forma una mata que contiene principalmente FeS y Cu2S, con pequeos contenidos de otros sulfuros, como el Co3S, Ni3S, PbS y ZnS. La mata tambin es un gran disolvente de metales como el Au, Ag y los metales del grupo del platino. El 95 al 99% de estos metales entran a la mata junto con el As, Sb, Se y Te, la mata tambin contiene hasta un 3% de oxgeno disuelto.La obtencin de la mata y su posterior conversin a cobre blisiter vienen a ser procesos de piroconcentracin del cobre y los elementos valiosos para ser separados finalmente en etapa de electrorefinacin, como metales de alta pureza o mezclas de ellos.El Sistema Cu-Fe-SLa mata es una solucin homognea de FeS y Cu2S

Existe algo de controversia en torno a la constitucin exacta de la mata solidificada, pero se aceptan las lneas de liquidos, normalmente

Propiedades Fsicas de Matas, Escorias y otros Componentes3.11. Formacin, constitucin y caractersticas de la escoria.Las escorias de fundicin se forman partir de los xidos presentes en la carga del horno y de los xidos de Fe que se forman durante la fundicin, siendo principalmente mezclas de silicatos fundidos y otros metales oxidados y son clasificados como escorias extractivas y escorias de refinacin.Las escorias extractivas son mezclas de oxisilicatos fundidos formados de la ganga de los minerales asociados con el concentrado, ms la adicin de fundentes que permitan obtener una mezcla fluida a baja temperatura de fusin, es bueno aclarar que las escoria no tienen un punto de fusin sino un rango de temperatura de fusin. Las gangas silicosas requieren fundentes bsicos como el CaO o el FeO, mientras que las gangas calcreas pueden ser fluidizadas con slica (arena).Las escorias de refinacin son mezclas especialmente preparadas para desarrollar las operaciones de refinacin y estn ideadas para absorber impurezas, suministrar especies reactivas como el oxgeno al bao metlico, para promover las reacciones interfaciales, etc.

Las escorias de inters en la fundicin de sulfuros son las escorias extractivas, sin embargo, en algunos casos las escorias extractivas pueden actuar como escorias de refinacin, por ejemplo las escorias formadas de las gangas oxidadas y silicatadas sirven como receptoras de impurezas si se usa un fundente apropiado.Las escorias producidas en la fundicin de cobre estn principalmente conformadas por FeO y SiO2 en una proporcin nominal de 2:1 (como fayalita 2FeO.SiO2), los otros componentes, tales como el CaO, Al2O3, MgO, etc estn presentes en cantidades menores.Las escoria de fundicin, en promedio, contienen:Fe (como FeO, Fe2O3) de 30 a 40%, SiO2 (de los fundentes, escoria de convertidor reciclado o de ambos) de 35 a 40%, CaO hasta 10% y Al2O3 hasta 10%.Las escorias de la fundicin de cobre pueden contener de 0.3 a 1.0% de Cu, dependiendo de parmetros como:El sistema del horno de fundicinPresin parcial del O2 ( ver 3.9. Formacin Mata Escoria)Grado de mata (ver figura siguiente)Composicin de la escoriaTemperatura del horno

FundicinComposicin (%)ComponenteCuZnFeMoSiO2CaOAl2O3A0.704.234.20.0139.26.4B0.70o.4035.00.6136.56.0C0.502.032.30.0838.55.5Oroya0.503.3(ZnO)44.5(FeO)33.57.01.00SPCC0.4040.034.04.210.20

3.12. La magnetita en la fundicin de la mata.La presencia de la magnetita en los circuitos de fundicin causa varios problemas operacionales importantes:Los cristales de magnetita en las escorias de fundicin las hacen viscosas, dificultando la separacin mata-escoria y ocasionando prdidas de cobre por arrastre de concentrado y mata en la escoria.La magnetita slida es ms densa que la mata y la escoria, por lo que se asienta en la solera del horno, disminuyendo as el volumen y capacidad de produccin del horno de fusin o conversin. Magnetita 5 a 5.5 g/cm3 Mata 4.5 g/cm3 Escoria 3.5 g/cm3La magnetita se combina con otros xidos, particularmente el Cr2O3, proveniente de los refractarios cromo-magnesita, para producir slidos de densidades intermedias entre las de la mata y escoria, estos xidos forman un falso fondo entre las capas de mata y escoria que obstruye la separacin de la mata y escoriaPor las consideraciones expuestas la fundicin se debe llevar a cabo en condiciones que mantengan en un mnimo la formacin de magnetita slida.

3.13. Comportamiento de otros metales en la fusin de concentrados de cobre.Los otros metales presentes en el concentrado de cobre, se distribuyen entre la mata y la escoria segn su afinidad termodinmica por el oxgeno o el azufre y su solubilidad, dependiendo adems de las condiciones de fundicin y el tipo del proceso. Distribucin en %MetalMataEscoriaVolatilizadoAlcalinos, alcalinotrreos, Al, Ti-100-Au, Ag, grupo del Pt991-Sb305515As355510Bi101080Cd601030Co955-Pb301060Ni982-Se40-60Te40-60Sn105040Zn405010En el cuadro se destaca:El Au, Ag, metales del grupo del Pt, Co y Ni entran casi completamente a la mata y son transportados a la etapa de conversin, donde son disueltos en la fase de cobre blster o ampolloso para finalmente ser recuperados como subproductos durante la electrorefinacin de los nodos de cobre.Cantidades importantes de impurezas perjudiciales a la calidad del cobre tambin entran a la mata, estos son el Sb, As, Bi, Pb, Se y Te. Algunos de estos metales se recuperan como subproductos durante las operaciones posteriores de conversin y electrorefinacin.El Zn presente en la escoria se puede recuperar por el proceso de escoria humeante, si la cantidad presente lo justifica. 3.14. Fusin de concentrados en hornos reverbero.Con el desarrollo de la concentracin de minerales por flotacin, los hornos reverbero resultaron ser las unidades de fusin ms idneos para la fundicin de concentrados de cobre, pero, con el avance de la tecnologa, debido a la crisis energtica de los aos 70 del siglo pasado y la implementacin de medidas de control ambiental a nivel mundial, despus de la cumbre de Ro (1992), estos hornos han sido progresivamente remplazados por tecnologas ms eficientes y menos contaminantes. En la actualidad ya quedan pocos hornos en funcionamiento. En el Centro del Per, en el circuito de cobre del Complejo Metalrgico de la Oroya, se ha utilizado el horno reverbero hasta mediados de 2011 y se ha paralizado por el incumplimiento de Doe Run Per con sus programas del PAMA (Plan de Adecuacin de Manejo Ambiental) y es probable que superado los problemas que afronta el Complejo Metalrgico ce la Oroya an se opere estos hornos por un tiempo ms.La fusin de concentrados sulfurados de Cu y Ni en hornos reverbero es similar y existen dos formas de fundicin:Hornos que usan calcina como alimentacin, caso La OroyaHornos funden directamente concentrados secos o hmedosUna tostacin previa elimina del 20 al 50% del azufre como SO2, que al ser concentrado en forma suficiente sirve para producir H2SO4, por cuanto en los tostadores de hogares mltiples la corriente gaseosa contiene del 5 al 10% de SO2 y en los tostadores de lecho fluidizado la concentracin del SO2 puede ser de 12 a 14%. En el proceso de tostacin tambin se forma FeO, que posteriormente en la etapa de fusin en horno reverbero pasa a la escoria, por lo que la mata producida ser de mayor grado, pero este mayor grado de mata tambin ocasionar una mayor prdida de cobre en la escoria. En el caso de emplear concentrados verdes (sin tostar) secos o hmedos como carga en el horno reverbero se logra matas de menor grado y tambin se pierde menos cobre en las escorias, lo que significa mayor tiempo de soplado en la etapa de conversin de matas, por contener mayor concentracin de Fe y S. Para el funcionamiento del horno reverbero se pueden emplear como combustibles petrleo, gas natural o carbn pulverizado, los que se queman encima del bao fundido inyectados mediante quemadores instalados en el extremo opuesto a las toberas de descarga de mata y escoria. Una modificacin para mejorar la capacidad de fusin de estos hornos fue instalar quemadores verticales en la bveda del horno e utilizara aire enriquecido con oxgeno.

Para el proceso de combustin se requieren grandes volmenes de aire, para mantener la temperatura del horno entre 1200 a 1300oC, as por ejemplo para quemar un volumen de gas natural se requiere de 10 a 12 volmenes de aire, lo que significa que los gases que se generan en el horno son de gran volumen y principalmente contienen nitrgeno, por lo que el contenido de SO2 en los gases de salida es relativamente baja, entre 0.5 a 2%, que lo hace prohibitivo su tratamiento para producir H2SO4 y por tanto el SO2 se descarga a la atmsfera

3.15. Fusin de concentrados en hornos elctricos Es un horno de hogar calentado con energa elctrica y desempea las mismas funciones que el horno reverbero. Se usa en varias localidades donde la energa elctrica es barata y procede de hidroelctricas. Estos hornos trabajan con electrodos de carbn que estn sumergidas en la capa de escoria, que ofrece suficiente resistencia para el paso de la corriente elctrica y as alcanzar la temperatura de fusin necesaria. La carga es muy similar a los usados para la fusin en hornos reverbero, pero tiene que ser seca o parcialmente tostado. La fusin en estos hornos puede generar gases con bajo contenido de SO2, si es que no existen altas infiltraciones de aire. Operados apropiadamente son eficientes en consumo de energa, en el orden del 40 al 50% de la energa proporcionada por combustibles con carga seca. Se usan en casos especiales, como para fundir concentrados complejos o especiales y cuando la energa procede de una hidroelctrica, adems permite un buen control de las emisiones de SO2El horno elctrico tiene dos ventajas sobre el horno reverbero:Produce cantidades ms pequeas de gases efluentes, debido a la ausencia de productos gaseosos de combustinLa concentracin del SO2 en los gases efluentes son fcilmente controladas por la regulacin de la cantidad de infiltraciones de aire hacia el interior del horno. Una mnima cantidad de infiltraciones de aire, permite lograr concentraciones de SO2 del orden de 0.4%, que es un valor muy bajo y se puede descargar directamente a la atmsfera, mientras que una gran infiltracin de aire, ocasiona mayor oxidacin del azufre y por consiguiente mayor contenido de SO2 en los gases de descarga, que pueden llegar al orden de hasta 5%,en este caso, estos gases se mezclan con los gases del convertidor y el SO2 se extrae de ambos como H2SO4.Las ventajas ms importantes de un horno elctrico de fundicin de matas son:Es completamente verstil y se puede usar para fundir cualquier materialProduce pequeos volmenes de gas efluente, que contiene N2, proveniente de la infiltracin del aire, Co y CO2, originados por las reacciones escoria-electrodo y SO2 de la oxidacin del azufre.La concentracin del SO2 en los gases efluentes se controla fcilmente al controlar la infiltracin del aire en el hornoHace uso eficiente de la energa elctrica Sus desventajas son:No usa toda la energa que est potencialmente disponible, debido a la oxidacin de los minerales sulfuradosLos costos de operacin tienden a ser altos debido al precio elevado de la energa elctrica

3.16. Fusin de concentrados en altos hornos

Ya como resea histrica, diremos que los altos hornos se usaron extensamente en el pasado para la produccin de grandes cantidades de mata a partir de menas sulfuradas en trozo. Tambin se uso al mismo tiempo para producir cobre negro no refinado contaminado con hierro, partiendo de menas de oxidadas. La disminucin de las menas ricas en trozo y el predominio de los concentrados por flotacin han eliminado poco a poco el alto horna para la fusin de matas. Este horno no es el adecuado para fundir material finamente molido, que es el caso de los concentrados por flotacin, sin embargo dicho horno se usaba en Africa, para fundir mezcla de sulfuros y xidos sinterizados. Para 1979 slo quedaban 10 altos hornos en el mundo.La carga para el horno consista en concentrados sinterizados, mena en trozo, fundente de slice, escoria slida del convertidor y coque metalrgico. En general los slidos son mayores a 1 cm de dimetro para evitar que sean arrastrados del horno por la corriente gaseosa ascendente y asegurar un flujo de gas uniforme a travs de la columna de la carga.Se inyecta aire, normalmente a temperatura ambiente, a travs de las toberas ubicadas cerca al fondo del horno para combustionar el coque y parte de los sulfuros de hierro de la carga, con el propsito de:Proporcionar calor para el proceso de fusinTostar parcialmente los sulfuros, para producir, as, una mata de grado mejorado, cuando la mata se funde prximo al fondo del horno.

3.17.Fusin de concentrados en hornos flash La necesidad de ahorrar combustible en los procesos de fusin de concentrados sulfurados de cobre y nquel ha permitido desarrollar tecnologas que permitan el aprovechamiento del calor generado por las reacciones de oxidacin del azufre y el hierro presentes en los concentrados sulfurados, es as que se desarrollan los procesos de fusin flash (fusin instantnea). En estos hornos se utiliza el calor de oxidacin de una parte de la carga de sulfuro para proporcionar gran parte o la totalidad de la energa necesaria para la fundicin.La fusin flash es un proceso pirometalrgico usado para fundir concentrados de sulfuros metlicos, inicialmente se uso para fundir concentrados de cobre y posteriormente se extendi para concentrados de nquel, tambin se ensay para tratar concentrados de sulfuros de plomo.

La fusin flash de concentrados de cobre consiste en inyectar dentro del horno caliente el concentrado de cobre seco de granulometra fina y fundente de slice con aire, aire enriquecido con oxgeno u oxgeno.El ingreso de estos materiales en el horno caliente ocasiona la reaccin instantnea del mineral sulfurado con el oxgeno y como resultado se tiene:i.- Una oxidacin controlada del Fe y el S del concentradoii.- Generacin de gran cantidad de caloriii.- La fusin de los slidosLos productos que se obtienen son:Una mata fundida Cu-Fe-S, rica en cobre, 45 a 65% de Cu, que contienen casi todo el cobre del concentrado, ms el Fe y S no oxidado.Una escoria fundida que contiene xido de hierro procedente de la oxidacin del hierro del concentrado y el hierro presente en la ganga y xidos de los fundentes.Una corriente gaseosa que contiene SO2, originado por la oxidacin del azufre y nitrgeno por el aire inyectado al horno, adems CO2 y vapor de H2O, si se ha usado combustible en forma complementaria.

La mata es enviada a los hornos convertidores, donde se elimina el Fe y S remanentes y se obtiene el cobre ampolloso (blster) que finalmente se enva a la refinera o al mercado. La escoria que puede contener entre 0.5 a 2% de Cu es enviada a un proceso de tratamiento para la recuperacin del Cu y la escoria final es llevado a un escorial o utilizado en construccin de vas. Los gases del horno que pueden contener entre 10 a 80% de SO2, son enfriados, usualmente en calderas que aprovechan el calor residual, y limpiados para recuperar las partculas en suspensin, son enviadas a una planta de recuperacin de SO2, sea para la produccin de cido sulfrico o SO2 lquido.

A mayor valor del radio, mayor cantidad de Fe y S oxidados y viceversa, igualmente a mayor cantidad de Fe y S oxidados se tendr un mayor grado de mata y viceversa, pero hay que tener presente que se debe conservar suficiente cantidad de Fe y S en la mata para garantizar el calor necesario para la etapa de conversin. Se pueden lograr grado de mata de 45 a 65% de Cu.El grado de mata para una operacin de fusin especfica se escoge para:maximizar el uso del calor generado por las reacciones de oxidacin del Fe y S que ocurren en el hornomaximizar la captura del SO2 generado en el procesodejar suficiente cantidad de Fe y S en la mata, para que sirva como combustible en la etapa de conversinevitar la excesiva formacin de Cu2O y Fe3O4 en la escoria.

En el concentrado estn presentes todas las impurezas que acompaan al cuerpo mineralizado y durante la fusin se distribuyen, segn su afinidad termodinmica, entre la mata y la escoria, as, metales como el Au, Ag y metales del grupo del platino estarn mayoritariamente en la mata, los metales alcalinos y alcalino trreos pasarn a la escoria en un 100% y algunos metales como el As, Bi se volatilizarn, por su puesto que el Cu en un 99% se fijar en la mata. En el siguiente cuadro se presenta una distribucin estimada.MetalDistribucin en %MataEscoriaVolatilizadoCobre991Alcalino y alcalino trreos, Al, Ti100Ag, Au, metales del grupo del Pt9055Sb303040As101080Bi15580Co40555Pb201070Ni50455Se75520Zn154540Existen dos tipos bsicos de fundicin instantnea:Proceso Outokumpu, que usa aire precalentado o aire enriquecido con oxgeno precalentado o a temperatura ambiente. No es autgeno, usa combustible, hidrocarburos, energa elctrica ms combustible.Proceso INCO que usa oxgeno comercial y es completamente autgeno.

Proceso OutokumpuEl horno de fundicin instantnea Outokumpu, usa como oxidante aire precalentado entre 450 a 1000oC o aire enriquecido con oxgeno, precalentado o a temperatura ambiente. Sus quemadores de concentrado estn situados en la parte superior de la torre de combustin, ubicada en un extremo del horno. Los concentrados, fundentes y el gas oxidante se inyectan hacia abajo a travs de la torre sobre la superficie de la escoria. Los gases de combustin dejan el horno por la torre de evacuacin situada en el otro extremo del horno. La configuracin de los quemadores hacia abajo se dise para causar el choque de las partculas de concentrado sobre la superficie de la escoria, configuracin que incrementa la tendencia de las partculas de concentrado a adherirse a la superficie de la escoria y reduce la prdida de polvos de concentrado en los gases emitidos. Las prdidas de polvos en los gases del proceso Outokumpu son altas y pueden llegar hasta el 10% de la alimentacin, debido a que los slidos en suspensin generados en el proceso no se sedimentan por la alta velocidad del gas dentro del horno. Para la recuperacin de estos polvos se dispone de un sistema de limpieza de gases.

Las dimensiones internas de un horno Outokumpu varan entre 19 a 23 m de largo, 6 a 9 m de ancho y 2 a 4 m de alto (de hogar a bveda). Las torres de combustin o reaccin miden entre 4 a 8 m de dimetro y entre 6 a 10 m de alto (sobre la bveda), mientras que las torres de evacuacin de gases, tienen dimensiones de largo x ancho entre 2.5 x 5 a 6 x 8 m o dimetros entre 2.5 a 7 m y un alto entre 6 a 18 m; hornos de estas dimensiones pueden tratar entre 850 a 2200 toneladas de concentrado por da.El sistema de quemador de concentrado consiste en dos tubos concntricos, en la que el concentrado y fundentes se alimentan por gravedad a travs del tubo central, de 0.4 m de dimetro y los gases oxidantes se inyectan a travs del tubo anular de 0.8 m de dimetro. Los hornos grandes se equipan hasta con 4 quemadores, que tratan de 10 a 20 toneladas secas de carga cada uno y de 8000 a 1200 m3N de oxidante por hora. El proceso no es autgeno menos que el aire de entrada contenga 40% de oxgeno o ms, caso contrario se disponen quemadores de combustible en la parte superior de la torre de reaccin.Como producto del proceso, dentro del horno de obtienen dos capas lquidas inmiscibles, una fase mata y una fase escoria, que se mantienen a una profundidad de 0.75 m y son extradas intermitentemente a travs de toberas de colada sumergidos, el de la escoria debajo de la torre de evacuacin de gas y el de la mata situado en una de las paredes laterales.

Proceso INCOEl proceso INCO (Merla y colaboradores, 1972) se restringe a dos instalaciones en operacin (Sudbury, Canad y Almalyk, URSS). Es algo difcil de entender ya que este proceso parece ser un mtodo de fundicin excelente y verstil. La unidad Sudbury es un horno tipo hogar pequeo, de 23 m de longitud (interior), 6 m de ancho y 5 m de alto (de hogar a bveda). Dicho horno funde 1 600 toneladas de carga seca por da.Los concentrados, fundentes y oxgeno se inyectan horizontalmente hacia el interior del horno desde ambos extremos y los gases generados se extraen a travs de un gran extractor ubicado en la parte central del horno. Este diseo produce una llama de alta temperatura sobre el rea total del hogar, provocando la fusin instantnea de la carga, para formar la mata y la escoria. La mata se sangra a travs de una tobera ubicada en la parte central de horno (debajo del sistema de evacuacin de gas) y la escoria se sangra debajo de los quemadores por un extremo del horno. Las profundidades de la mata y escoria se mantienen a 0.6 m y 0.6 m, respectivamente; el agujero de colada de la escoria siempre se sumerge para reducir la extraccin de mata sin asentar.

Los quemadores son de un diseo simple en la que los concentrados y fundentes se alimentan por gravedad en la corriente de oxigeno para transportarlos por aspiracin al interior del horno. Los concentrados secos se comportan bien en estas condiciones pero es improbable que los concentrados hmedos puedan usarse con esta configuracin simple. El horno tiene cuatro quemadores, cada uno de los cuales trata de 15 a 20 toneladas de carga y de 2 000 a 2 500 m3N de oxgeno por hora.El horno INCO se cubre completamente por una coraza de acero dulce soldada de 1 cm de espesor la cual se apoya sobre pilares de ladrillo. El hogar es un arco invertido de ladrillo de magnesita, en tanto que la bveda es un arco cncavo de cromo-magnesita con un espacio de aire de 15 cm entre el refractario y la coraza de acero de la bveda. Unas camisas de acero enfriadas con agua (revestidas de refractario de cromo-magnesita) cubren aproximadamente el 20 % de las paredes laterales, principalmente en la regin inferior de la toma de gas. Esta rea central es la zona de combustin de sulfuros de intensidad ms alta y las paredes se protegen contra las temperaturas altas del gas de esta zona. El horno INCO normalmente funciona en forma continua durante dos aos, despus de los cuales se inspecciona y reviste con refractario donde sea necesario.El proceso INCO usa oxgeno comercial y es completamente autgeno y tiene varias ventajas sobre el proceso Outokumpu de aire precalentado, como son:tiene un requerimiento de energa total mucho ms bajo el volumen de gas generado (por tonelada de carga) es pequeo debido a que no hay nitrgeno y productos de combustin de hidrocarburos, lo cual significa que su requerimiento para el equipo de coleccin de gas es pequeola concentracin de SO2 en el gas generado es muy alta (80%) lo cual hace posible que el SO2 se recupere como cido sulfrico o SO2 lquidolas prdidas de polvo son bajas debido a que la velocidad de flujo volumtrico de gas relativamente pequeasu productividad (toneladas de carga/da/m2 de rea del hogar) es casi 30% ms alta que la del proceso Outokumpu.Adems, las escorias del proceso INCO son relativamente bajas en cobre (0.7%) y se desechan sin tratamiento adicional. Sin embargo, an esta prdida de cobre es excesiva y es probable que en una nueva instalacin las escorias INCO deban volverse a tratar para recuperar cobre. El mtodo ms probable puede ser la flotacin del cobre a partir de la escoria lentamente enfriada, solidificada y finamente molida, este mtodo permite lograr relaves (escoria final) con 0.35% de Cu. El producto gaseoso de las reacciones de oxidacin de los sulfuros es el S02 y se producen cantidades considerables de ste por las reacciones de la fundicin instantnea. Los gases que se producen por el proceso INCO contienen alrededor de 80% de S02, que se recupera eficientemente como S02 lquido mientras que el SO2 del proceso Outokumpu preferentemente se fija como cido sulfrico.HORNOS ISASMELT

Southern Peru Copper Corporation (SPCC) ha modernizando su fundicin de cobre de Ilo, instalando un horno ISASMELT para sustituir a sus dos hornos reverberos existentes y un convertidor modificado el Teniente (CMT), cumplimiento el compromiso del PAMA (Plan de Adecuacin de Manejo Ambiental) para la Fundicin de Ilo, acordado con el gobierno peruano. El horno ISASMELT tiene una capacidad nominal de 1.200.000 toneladas por ao de concentrados nuevos y producir una mata conteniendo 62% de cobre y escoria de descarte. En la fundicin se trata los concentrados de cobre de Cuajone y Toquepala, los cuales contienen aproximadamente 27% de Cu. Es probable que el Complejo Metalrgico de la Oroya, tambin instale un horno ISASMELT en su circuito de cobre, por lo tanto, el futuro de la fundicin de concentrados de cobre en el Per estar ligado al proceso Isasmelt.El proceso ISASMELTTM emergi en la industria mundial de los metales durante la dcada de los 90 y actualmente est procesando alrededor de cuatro millones de toneladas de concentrados y materiales secundarios cada ao. La tecnologa de fusin por lanza sumergida produce tanto como plomo metlico, matas de cobre o cobre metlico en las plantas ubicadas en Australia, EE.UU., Blgica, India, Alemania, Malasia, China, Per y Zambia. El proceso se basa en la lanza sumergida con entrada superior refrigerada por aire, denominado Sirosmelt, desarrollado por el Dr. John Floyd en la Divisin CSIRO de Ingeniera de Minerales y Proceso en los aos 70.

El horno ISASMELT es un reactor cilndrico vertical soportado sobre una base de concreto y forrado con ladrillos refractarios de cromo magnesita. La base es enladrillada en forma de plato. Un elemento clave del proceso es la lanza ISASMELT, la cual se baja desde la parte mas alta del horno dentro del bao fundido para inyectar aire enriquecido con oxigeno industrial de 95% de O2. La alimentacin cae dentro del horno desde la puerta (compuerta) de alimentacin ubicada en la parte alta del horno, el concentrado reacciona con el aire y el oxigeno inyectado por la lanza. La inyeccin de aire y oxgeno dentro del bao crea una alta turbulencia en el bao el cual constituye un mtodo muy intenso de fusin de mata y una operacin extremadamente eficiente requiriendo un horno relativamente pequeo para tratar altos radios de alimentacin de concentrado. El horno ISASMELT incluye un caldero de tubos de pared, la carcasa de acero recubierto con refractario, blocks antisalpicaduras enfriado con agua, blocks para sacar material fundido y canales de transferencia de la mezcla mata-escoria a los hornos de retencin rotatorios con enfriamiento por agua y todo el equipo auxiliar necesario. Los productos de la fusin del horno ISASMELT son extrados como una mezcla fsica de mata y escoria a travs de dos placas hacia 2 hornos de retencin rotatorios (RHF). Cada RHF es alimentado desde el horno ISASMELT va una placa y un canal de cobre refrigerado con agua. Cada placa consiste de dos blocks (uno interior y otro exterior) El block exterior es remplazado peridicamente cuando el desgaste es excesivo. El block interior normalmente permanece en servicio mientras dure la campaa del ladrillo refractario. Cada canal ISASMELT consiste de mltiples secciones de cobre enfriado con agua. La seccin de la cabecera del canal (muy cerca del agujero de colada) es protegida del flujo inicial de mata por un refractario especialmente diseadoCada agujero de colada es mecnicamente abierto y cerrado por medio de una mquina tapadora. Ambos agujeros de colada son servidos por la misma mquina viajando entre agujeros de coladas va rieles adecuados para el caso. Si las mquinas tapadoras no se pueden utilizar, los agujeros de colada pueden ser abiertos usando lanzas de oxgeno. Los agujeros pueden ser tapados manualmente usando barro con un dolle (cono de arcilla unido al extremo de una barra larga).Quemadores de petrleo diesel (N2) y aire comprimido son usados en las cabezas de seccin (muy cercano al agujeros de colada) de cada canal para minimizar las acreciones durante la colada. La seccin del canal despus de la cabecera de seccin tiene una pendiente pronunciada para evitar la formacin de acreciones. Los gases de combustin y los humos procedentes de la operacin de sangrado son colectados por una campana ubicada en la parte superior. La campana se mueve en el mismo nivel mediante rieles al igual que las mquinas tapadoras. Cuando la mquina tapadora esta sobre el canal la campana de ventilacin esta en posicin de parqueo, fuera del canal.Un quemador petrleo-aire (combustible N6) es usado para mantener la temperatura del horno cuando no se alimenta concentrado. Para atomizar el petrleo se requiere de vapor de mediana presin. Un soplador de aire de combustin suministra el aire de combustin al quemador. El soplador de aire de combustin tambin suministra el aire de combustin secundario al horno a travs de la lanza durante la fusin. El quemador es insertado dentro del horno a travs del chute de alimentacin. Termocuplas dentro del refractario del horno son usados para asegurar que la temperatura del horno es suficiente para asegurar la combustin del petrleo.

Tabla 1 - Parmetros de operacin tpicos - ISASMELT de cobreTasaUnidadesTasa fusin concentrado160tphContenido cobre (base seca)23,8%CuFlujo de slice3.4tphMaterial Circulante1.6tphCoque menudo07tphGas natural706Nm3/hAire en la lanza20.210Nm3/hOxgeno de la lanza (95%)23.580Nm3/hEnriquecimiento con oxgeno de la lanza60,8%Temperatura del bao1172Grados CLey de la mata57,0%3.18. Conversin de matas de cobreEn la conversin de matas de cobre, el proceso comercial es una adaptacin del proceso Bessemer usado para la industria del acero, para convertir el arrabio obtenido en el alto horno a acero. Cualquiera sea la procedencia de la mata (hornos reverbero, hornos flash, elctricos) sta contiene bsicamente Cu, Fe y S y hasta 3% de oxgeno disuelto, adems contiene As, Sb, Bi, Pb, Ni, Zn y metales preciosos (ver cuadro siguiente), elementos que han estado presentes desde el concentrado y no se han podido separar en la etapa de fusin.

Anlisis representativo de cargas y productos del convertidor (% peso)ComponenteCuFeSOAsBiPbSbZnAuAgMata35-6510-4020-252-30-0.50-0.10-50-10-50-15x10-40.01Cobre Blister98.5-99.50.10.02-0.10.5-0.80-0.30-0.010-0.10-0.30.0050-100x10-40.01Polvo de Precipitador*5-155-10100-10-20-300-10-150-6x10-40-0.05EscoriaCuFe TotalSiO2Fe3O4Al2O3CaOMgO2-1535-5020-3015-250-50-100-5*Incluye vapor ms salpicadurasFuente: BISWAS DAVENPORT. El Cobre Metalurgia Extractiva, Ed. Limusa, Espaa, 1993La mata fundida a una temperatura promedio de 1100oC, se carga a un convertidor para su transformacin a cobre blster o cobre ampolloso.Los convertidores de cobre son usados para eliminar el Fe y el S, el Fe como FeO que al reaccionar con la slice aadida forma la escoria y el metal blanco (Cu2S) que queda en el convertidor es soplado a cobre blster, lo que se logra soplando aire a travs de la mata fundida para oxidar el Fe y el S.El proceso de conversin del cobre se lleva acabo en dos etapas:1o.- Una etapa de formacin de escoria, donde se elimina el Fe como FeO2o.- Una etapa de soplado final o conversin de cobre, donde se logra eliminar el S remanente y se obtiene el cobre blsterEl proceso de conversin de cobre es discontinuo, por cuanto despus de cada carga de mata al convertidor es necesario realizar el escoriado o sangrado de la escoria hasta acumular suficiente cantidad de metal blanco y proseguir con el soplado final o formacin del blster. Con cada carga de mata se carga el fundente, la granulometra de este cuarzo no debe ser mayor a 15 mm, sin embargo en la prctica oscila entre 6 25 mm y debe tener por lo menos el 80% de SiO2. El fundente cuarzoso o flux se puede alimentar al convertidor por la boca central o por uno de los extremos mediante pistolas a presin.

3.19.Operaciones de conversin industriales

El convertidor de eje horizontal, llamado tambin convertidor Peirce Smith, es el convertidor ms comercial y consta de un cilindro horizontal recubierto con refractario, con una abertura en un costado que funciona como boca de carga y descarga del convertidor. El convertidor puede rotar sobre su mismo eje unos 120O para descargar y ms o menos 60o para cargar. El aire comprimido o aire enriquecido con oxgeno es suministrado al convertidor a travs de una caja de viento situado a lo largo de la parte posterior del convertidor, del cual una serie de tuberas horizontales (toberas delgadas) proporcionan pasajes a travs del forro al interior.La mata de cobre se carga por la boca del convertidor y tambin se adiciona los fundentes por la boca o por un dispositivo ubicado en uno de los extremos del horno, cuando el convertidor est en la posicin de carga y las toberas estn ubicadas por encima del bao fundido; despus de cargar la mata y los fundentes se comienza a suministrar el aire a travs de las toberas bajo una presin adecuada, comenzando el soplado y finalmente se rota el horno hasta que la boca alcance su posicin vertical.

CARGA SOPLADO ESCORIADOGrado de mataInterrupciones de soplado en %Tiempo del ciclo en horasUtilizacin del convertidor en %304.317.675403.212.173502.58.871Generalmente en las fundiciones existen 3 a 6 convertidores asociados a cada horno de fundicin. Dependiendo del grado de mata un convertidor puede hacer 1 a 3 ciclos por 24 horas.En la etapa de formacin de escoria se desprende ms calor que en la etapa de soplado de blster, esto se debe a que la oxidacin de 1 libra de FeS desprende 200 BTU, segn la reaccin: FeS + 3O2 + SiO2 2 FeO.SiO2 + 2SO2Mientras que una libra de Cu2S, al ser oxidado desprende solamente 600 BTU, segn la reaccin: Cu2S + O2 2Cu + SO2Existen dos modificaciones de los convertidores horizontales:1. Convertidor Hood (chimenea)2. Convertidor Hoboken

3.20.Formacin de la magnetita en la conversinLa fase de xido estable proveniente de la oxidacin del FeS es la magnetita slida. Aunque se desea algo de magnetita como depsito sobre las paredes del convertidor para proteger los refractarios, una cantidad excesiva conduce a escorias viscosas y al arrastre de cantidades grandes de mata. La tendencia hacia la formacin o reduccin de magnetita dentro de los convertidores se da segn la reaccin: 3Fe3O4(s) + FeS(l, mata) 10FeO(l, escoria) + SO2 La formacin de magnetita se vuelve particularmente aguda al final de la etapa de formacin de escoria por que existe poca cantidad de FeS y su actividad es baja y por tanto no puede reducir la magnetita, por lo que estas escorias finales contienen entre 10 a 20 % de magnetita slida. La mejor prctica del convertidor para reducir la formacin de magnetita es mantener la mata tan concentrada como sea posible en FeS hasta el final de la etapa formadora de escoria al oxidar slo parcialmente la mata despus de cada adicin de mata con lo que se asegura una cantidad suficiente de FeS para reducir la magnetita.3.21.Procesos de fusin conversin continasEl los procesos pirometalrgicos tradicionales de obtencin de cobre ampolloso o blster a partir de concentrados sulfurados de cobre comprende dos o tres etapas de tratamiento, segn la naturaleza del concentrado, as puede ser: fusin y conversin o tostacin, fusin y conversin. Estos procesos exigen instalaciones grandes, equipos diversos para trasladar los materiales de una etapa a otra, alto consumo de energa, sobre todos combustibles, que significa altos costos, por lo que los ingenieros metalrgicos han buscado alternativas de tratamiento ms rpidos, eficientes y econmicos, llegando a desarrollar procesos continuos y autgenos o semiautgenosCon ese propsito se realizaron experimentos en el decenio de 1950, en las que se demostr que el cobre blster poda ser directa y continuamente producido a partir de una mata de Cu2S-FeS soplando aire y oxgeno al interior de una mata lquida, trabajos posteriores de los aos 1960 mostraron que los concentrados pueden ser fundidos simultneamente con la produccin continua de cobre ampolloso, con lo que se logr la verdadera fundicin de una etapa. Las primeras patentes fueron publicadas en 1967, siendo la patente 3326671 de Estado Unidos de Worcra Process y la patente 758020 de Canad de Noranda Process.El desarrollo de estos procesos continuos, que se ha dado en los ltimos 40 aos, ha sido una respuesta al alto costo de los combustibles y a las cada vez ms estrictas leyes de proteccin ambiental y minimizar los costos de produccin.

Una representacin esquemtica de un proceso ideal de una sola etapa se presenta en el diagrama siguiente:

Los materiales de entrada al proceso deben ser concentrados, fundentes y aire, aire ms oxgenos u oxgeno (el uso de aire ms oxgeno u oxgeno disminuye las perdidas de calor sensible en el nitrgeno si se usa aire) y los productos pueden ser cobre blster, un gas con alta concentracin de SO2 y una escoria de bajo contenido de cobre que se deseche directamente, el proceso puede ser continuo en un solo reactor o en varios.Las ventajas de un proceso de una sola etapa en la produccin del cobre blster pueden ser:Reducida manipulacin de materiales debido a la ausencia de etapas intermediasBaja o nula demanda de energa debido al uso eficiente de la energa utilizada de las reacciones de oxidacin de los sulfuros en un solo reactorProduccin de una sola corriente de gas con alta concentracin de SO2 apta para la produccin de cido sulfrico o SO2 liquidoLa posibilidad de la aplicacin del control automatizado a todo el proceso

3.22.Proceso NorandaEs propiedad de la compaa Noranda Mines Quebec Canad y empez a operar a nivel de planta piloto en 1968, originalmente se concibi como un proceso de obtencin de cobre blster en una sola etapa.El proceso Noranda ha sido probado a escala de planta piloto (90 toneladas de concentrado por da) y a escala industrial (1100 toneladas de concentrado por da). Estn en operacin 4 hornos a escala industrial (1969) uno en Noranda, Quebec y tres en Garfield, Utah (Kennecott). Aunque la intencin original del proceso fue producir cobre blister directamente en una sola etapa, la totalidad de estas unidades producen comnmente mata de grado muy alto (70-75% de Cu).

Los reactores industriales son de 21 metros de longitud con un dimetro de carga interior de 5 metros. El reactor Noranda es un recipiente cilndrico revestido de cromo-magnesita que se asemeja a un convertidor Peirce Smith, el aire o aire enriquecido con oxgeno es introducido en la capa de mata mediante 50 o 60 toberas situadas a lo largo de uno de los lados del recipiente. Las toberas permanecen sumergidas durante todo el proceso y solamente se les hace girar hacia fuera de los lquidos en el caso de una para, falla del soplador u otra situacin de urgencia El reactor Noranda utiliza un horno cilndrico con revestimiento refractario para la fundicin. El concentrado peletizado y los aditivos se cargan en el bao de escoria fundida por el extremo superior del horno. Los quemadores alimentados a gas natural o aceite, situados en ambos extremos, producen el calor necesario para el proceso. Se inyecta aire enriquecido con oxigeno en el bao fundido mediante toberas, lo que produce la oxidacin del azufre y el hierroCONVERTIDOR MODIFICADO EL TENIENTE

En 1977 naci el Convertidor Modificado el Teniente, en la Fundicin de Caletones de CODELCO, Chile y por el xito industrial alcanzado se expandi a fundiciones de Zambia, Canad y Per. En Per estuvo operando en la Fundicin de Ilo en remplazo de dos hornos reverberos y debido a la modernizacin por las exigencias ambientales ha sido tambin remplazado por un horno Isasmelt. El convertidor Teniente, desarrollado y patentado por la Divisin El Teniente de Codelco, es un horno basculante, formado por un cilindro metlico de 5 m de dimetro por 22 m de largo, dispuesto en posicin horizontal y revestido por ladrillos refractarios en su interior. Este horno est montado sobre un sistema de cremalleras que le permiten oscilar. El convertidor Teniente es cargado en forma continua con concentrado de cobre y slice (cuarzo) por una abertura ubicada en su parte superior. La slice tiene por objeto captar el hierro contenido en los minerales sulfurados fundidos y concentrarlo en la parte ms liviana de la mezcla fundida. 3.23. Proceso Worcra

El proceso Worcra es un proceso continuo desarrollado por H. K. Worner de la compaa Conzinc Riotinto de Australia Ltd. Entre 1963 y 1965 a escala piloto y semicomercial, habiendo estado en operacin una planta de 80 toneladas por da de concentrado y demostrando que es posible producir cobre blster con una ley de 98.2 a 99.5%, sin embargo no se alcanz a instalar planta alguna a nivel comercial.Este proceso se caracteriza por que produce metal en lugar de mata y que la mayora de las reacciones exotrmicas se generan y continan dentro del horno. Dentro del horno se genera una turbulencia consistente en la zona de fusin y conversin por la inyeccin de gas con oxgeno en la masa fundida que fluye continuamente; en la zona de conversin la escoria se mueve por gravedad en contracorriente a la mata y al metal y la escoria se limpia en la zona de respectiva. Los gases generados en el proceso contienen de 9 a 12% de SO2, concentracin que facilita el proceso de produccin de H2SO4.

3.24.Proceso Mitsubishi

Las tres unidades y sus funciones son:Un horno de fundicin en el cual se oxidan los concentrados secos hasta formar mata de alto grado (60 hasta 65% de cobre).Un horno elctrico de asentamiento, dentro del cual la mata y la escoria se separan y desde el cual se descarga una escoria final con 0.5% de cobre.Un horno de conversin en el cual la mata de alto grado se oxida continuamente para producir cobre blster en forma continua. La escoria de este horno contiene hasta 15% de cobre, por lo que es solidificado y recirculado al horno de fundicin para recuperar el cobre.El oxidante en los hornos de fundicin y de conversin es aire enriquecida por oxigeno (33% de O2 y 26% de O2, respectivamente). El aire se inyecta en la superficie de escoria por 18 lanzas de acero inoxidable en posesin vertical. Los que disearon el proceso Mitsubishi (Suzuki, 1974), informan que la inyeccin de aire u oxigeno en la superficie en la parte superior del bao de mata y escoria no puede usarse para producir continuamente cobre blster en una sola unidad de fundicin. Esto se debe probablemente, a que se forme demasiada magnetita slida sobre la superficie de escoria debido al choque del aire. La presencia de una capa de magnetita slida puede obstaculizar la alimentacin de concentrados en lo lquidos lo que inhibe grandemente el proceso de fundicin. El uso de tres hornos, donde los dos primeros estn en condiciones relativamente reductores por la presencia del FeS, impide la formacin excesiva de magnetita.

3.25.Proceso Kivcet - Proceso CONTOP PROCESO KIVCETDesarrollado en Rusia, se basa esencialmente en el uso de un cicln especialmente diseado para fundir concentrados hasta matas, que se iniciaron a escala piloto , combinado el cicln con hornos reverbero, para lo cual se coloc primero el cicln en un extremo, sin ningn xito y luego se le puso encima del reverbero a la vez que se introdujo el uso de oxgeno puro en el cicln en lugar de aire o aire enriquecido con oxgeno, esta innovacin tecnolgica mejor la eficiencia de la combustin, redujo la cantidad de elementos desechables en los gases y aument la concentracin de SO2 recuperable.En un diseo ms avanzado, la instalacin de una pared divisoria y refrigerada con agua, entre la seccin de fusin y sedimentacin ha permitido separar el gas en esos compartimientos, haciendo posible el tratamiento de concentrados complejos que contienen metales como Zn y Pb, que son recuperados adems del cobre. Este diseo del horno KIVCET permite tener condiciones altamente oxidantes en el cicln, mientras se lleva acabo una reduccin en la zona de sedimentacin calentada por resistencias elctricas.

De esta manera se obtienen tres productos que se descargan independientemente: la mata de cobre de alta ley, hasta 50% de cobre, conteniendo metales valiosos como Ag, Au, Ni, que sigue su marcha normal en convertidores; el plomo crudo de calidad convencional que se trata por refinado trmico y la escoria que puede desecharse por contener metales no ferrosos en menor porcentaje que los valores mostrados por escorias producidas por procesos convencionales. Los gases producidos con elevado contenido de SO2, hasta un 85%, pasan por instalaciones de enfriamiento y separacin de polvos finos antes de ingresar a la planta de cido sulfrico

PROCESO CONTOP

Es propiedad de la KHD Humboldt Wedag AG de Alemania y es el resultado de una combinacin de la tecnologa de fusin en un horno cicln usando oxgeno con el proceso de soplado por el techo usado para el tratamiento secundario de las escorias producidas en la fusin y es similar al proceso LD en la conversin de aceros.En el proceso CONTOP (Continuous Top Blowing Process ), el horno cicln produce el metal blanco y una escoria alto contenido de FeO, el proceso de fusin es autgeno y usa el Fe y S de concentrado como combustible, usando oxgeno puro para el soplado en la etapa de conversin.La masa fundida en el horno cicln es descargada a una cmara de sedimentacin, donde la escoria es soplada por el techo con un reductor para limpiarla, desde esta cmara la mata es continuamente descargada a un convertidor estacionario o reactor de refinacin que est dividida en tres cmaras: de conversin, de oxidacin y de reduccin, obtenindose como producto final un nodo de cobre de 98.8% y poca cantidad de escoria.

La temperatura alcanzada en el horno de cicln es del orden de 2000oC, por lo que requiere refrigeracin y esta temperatura permite mantener la viscosidad de la escoria en niveles bajos.En 1978 la KHD Humboldt instal una planta piloto de 20 a 24 toneladas de concentrado por da y luego ofreci instalar plantas con capacidad de 25 000 TM por ao de nodos de cobre.Las ventajas de este proceso son:La fusin de los concentrados es totalmente autgena, pues usa como combustible el Fe y el S del concentradoEl uso del oxgeno permite emplear equipos de tratamiento de gases pequeos y menos complejosNo hay formacin de xidos de nitrgeno que son txicosSe obtiene gases con alto contenido SO2

3.26.Pre afino gneo de cobre blsterEtapa de reduccin, por cuanto el bao fundido queda saturado con Cu2O, es necesario una etapa de reduccin, para lo que se pueden emplear troncos verdes, que es un mtodo tradicional tambin conocido como berlingado, petrleo vapor, amoniaco gaseoso, gas natural, gas propano, mezcla de carbn pulverizado con aireTECNOLGIAS DE REDUCCIN EN LA PIROREFINACION DEL COBREReduccin con troncos verdes, es un mtodo tradicional para la reduccin del cobre y consiste en sumergir troncos verdes en el cobre lquido, generando un proceso de destilacin de la madera desprendiendo H2, CO e hidrocarburos que aceleran la reduccin del cobre oxidadoCu2O + C 2Cu + COCu2O + H2 2Cu + H2OCu2O + CO 2Cu + CO2La desoxidacin de cobre con troncos verdes es un proceso relativamente costoso, de difcil abastecimiento y manipuleo que ocasiona un deterioro prematuro del revestimiento refractario de los hornosb) Reduccin con petrleo vapor, en este caso se emplea una mezcla de petrleo vapor de agua, la que es constantemente inyectada debajo de la superficie del bao metlico a travs de una lanza y se genera la reaccin entre el vapor de agua y el petrleo para generar H2 y CO, que luego reaccionan con el Cu2O, mediante las reacciones:Cu2O + CO 2Cu + CO2Cu2O + H2 2Cu + H2OCu2O + C 2Cu + COLa eficiencia de la desoxidacin depender considerablemente del rea de contactoc) Reduccin con amoniaco, la ventaja de este proceso es que el gas no contiene impurezas como el S u otros productos de combustin que si contienen el petrleo y la madera.3Cu2O + 2NH3 6Cu + N2 + 3H2OLa velocidad de la reaccin del amoniaco con el cobre fundido es muy rpida y completamente turbulenta, siendo la eficiencia de reduccin H2 muy alta debido a su fuerte actividad termodinmica.